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文档简介

建筑热湿环境第1页/共169页4-2建筑热湿环境知识框架半透明体围护结构的热工性能生理学基础心理学基础建筑热湿环境影响室内热环境的物理因素太阳辐射与综合温度湿环境非透明体围护结构的热工性能稳定特性非稳定特性冷负荷形成及计算方法人体生理学和心理学冬围护结构负荷空气渗透负荷光学特性PMV-PPD法局部不舒适感其他稳定评价热舒适性方程稳定计算方法谐波反应法冷负荷系数法夏人,照明,设备得热负荷概念湿量计算冷凝校验结露防治温态环境动态环境过度环境热湿环境评价第2页/共169页4-31345555971322681—气温2—太阳辐射3—室外空气综合温度4—热空气交换5—建筑内表面辐射6—人体辐射换热7—人体对流换热8—人体蒸发散热9—室内热源室内热湿环境的形成第4章建筑热湿环境第3页/共169页4-4基本概念A:室外气象条件

——外扰

B:室内发热/湿/尘量——内扰(照明、设备、人体、散湿)C:空调方式

——广义外扰◎外扰作用方式:①热交换:太阳辐射(透明/半透明体)、 热传导(围护结构)/(对流+辐射) ②空气交换:空气渗透、空调送风◎内扰作用方式:

①辐射

②对流③蒸发

★空气状态参数变化的途径:

①对流②空气直接混合③蒸发

热,湿,尘源Vi,Ii,di,iVo,Io,do,otwQWGPqwPqnI墙体传热/湿性能——影响内/外扰对室内空气环境的作用4.1影响室内热环境的物理因素第4页/共169页4-54.1影响室内热环境的物理因素4.1.1太阳辐射与室外空气综合温度建筑表面的辐射作用直射:IN散射:地面反射:ID天空散射:IS太阳辐射I0大气辐射Iy建筑表面接受的辐射建筑表面的气温作用综合温度第5页/共169页4-64.1影响室内热环境的物理因素4.1.1太阳辐射与室外空气综合温度法线直射强度:P——大气透明度(反应大气污染、水蒸气等颗粒对日射的衰减)m——大气质量(反应日射强度到达表面的路程大小)I0INI1βL’=L/sinβLdxdIxI0——呈指数衰减P=IL/I0=exp(-kL)大气透明度No.11第6页/共169页4-74.1影响室内热环境的物理因素4.1.1太阳辐射与室外空气综合温度大气透明度P=1最透明变化范围:0.65~0.75,在一个月份的晴天中可近似认为是常数我国将大气透明度作了6个等级的分区,1级最透明东京晴天的大气透明度逐月值反应大气污染、水蒸气等颗粒对日射的衰减P=IL/I0=exp(-kL)

定义:第7页/共169页4-8我国的大气透明度分区65443324第8页/共169页4-9IN=I0Pmm=L’/L=1/sin大大为什么太阳高度角接近0º和90º时垂直面的日射量都小?反应日射强度到达表面的路程大小大气质量:m4.1影响室内热环境的物理因素4.1.1太阳辐射与室外空气综合温度大气透明度第9页/共169页4-104.1.1太阳辐射与室外空气综合温度

——A——α————γ——

i——θβ90AIS,Z=INsinIN90αNSIC,Z=INcoscos墙体法线INcosγiI,Z=INcosiI0INI1βLI0太阳辐射强度直射辐射第10页/共169页4-11不同太阳高度角和大气透明度下的太阳直射辐射强度β直射辐射太阳辐射强度第11页/共169页4-12直射Z散射S地面反射D水平面SINsinIS,S0垂直面CINcoscos0.5IS,S0.5GIS,倾斜面INcosi0.5IS,S(1+cos)0.5GIS(1-cos)水平面散射强度IS,S(Berlage公式):散射辐射与总辐射强度G——地面平均日射反射率水平面日射总辐射:垂直面日射总辐射:太阳辐射强度第12页/共169页4-13水平面总日射辐射强度:北纬40的太阳总辐射量按不同表面(水平、垂直、倾斜面)计算总辐射强度例4-1短波?长波?第13页/共169页4-144.1.1太阳辐射与室外空气综合温度大气长波辐射(Ia)与晚间有效辐射(Iy)指建筑表面向天空的有效辐射指大气向建筑表面的辐射大气向建筑表面的辐射:Ia(地表)建筑表面向天空的辐射:Id(地表)建筑向天空的有效辐射:IS,B考虑云层(地表)建筑向天空的有效辐射:IS,y天空当量温度大气温度式4-25为何白天可以忽略大气长波辐射,晚间不可以?例题4-2晚间有效辐射第14页/共169页4-15太阳直射辐射太空散射辐射对流换热地面反射辐射环境长波辐射地面长波辐射壁体得热ISIZID非透明体外表面接受热辐射:4.1.1太阳辐射与室外空气综合温度室外空气综合温度大气长波辐射IZIS建筑表面接受辐射第15页/共169页4-16室外空气温度:外表面接受的有效热辐射:

外表面得热:短波辐射长波辐射4.1.1太阳辐射与室外空气综合温度IyId-

Ia室外空气综合温度第16页/共169页4-17td(I)td(I)twtz当量空气温度+=室外空气温度室外空气综合温度60℃!35℃!如果忽略围护结构外表面与天空和周围物体之间的长波辐射: td(I)Iy/w工程处理: 垂直面:Iy/w

=0;水平面:Iy/w

=3.5~4.0℃。室外空气综合温度第17页/共169页4-18导热特性:×100气体0.006~0.6Air:~0.029液体0.07~0.7Water:~0.58建筑材料0.3~3.5钢筋混凝土:~1.5金属2.2~240建筑钢材×20保温材料<0.3保温材料其他要求:γ≯600~700kg/m3;γ↑→↑;耐压强度:>4kg/cm2要点:

空隙率,λair<<λsolidtwtnλαwwnαn12围护结构传导与热对流聚乙烯泡沫材料:~0.044.1影响室内热环境的物理因素4.1.2非透明体围护结构的热工性能表面热对流特性:表4-3w

、n

=f(v、-t、热面形式)λ——墙体导热系数,W/mK第18页/共169页4-19表面辐射特性:一般建筑内墙:0.82~0.93,铝箔0.05~0.20太阳集热器αs↑,保温材料ε↓→常贴铝箔ρ、α、τ——墙体表面反射率、吸收率、透射率(τ=0:非透明体;<1:半透明体)αs——表面的太阳吸收率

红砖:ε=0.85-0.95αs=0.65-0.80外界物体辐射响应特性对外辐射特性但Cb——黑体辐射系数:

5.67W/(m2K4)ε——表面黑度:4.1影响室内热环境的物理因素4.1.2非透明体围护结构的热工性能第19页/共169页4-20工程上:

=f(墙表面平整度,室外风速)=19~23W/(m2K) =f(墙表面平整度)≈8.72W/(m2K)对流放热系数:辐射放热系数:以外墙为例:αout辐射对流4.1影响室内热环境的物理因素4.1.2非透明体围护结构的热工性能表面辐射特性:第20页/共169页4-21吸(放)热—导热—放(吸)热稳定传热量计算流体与壁面对流传热以外墙为例:壁面与壁面辐射传热以外墙为例:固体间导热传热并联作用→表面换热串联作用并联作用→表面换热touttinλαoutWNαin14.1影响室内热环境的物理因素4.1.2非透明体围护结构的热工性能第21页/共169页4-22K0、R0——墙体总传热系数,总传热热阻R0=1/K0,K≈f(墙体材质)——GB50176-93民用建筑热工设计规范等twtn多层均质墙体θwθn4.1影响室内热环境的物理因素4.1.2非透明体围护结构的热工性能稳定传热量计算第22页/共169页4-23封闭空气间层:导热、对流、辐射同时存在处理方法: 当量导热——表4-7实体:d↑→R↑→传热↓→导热↓

→对流↑总传热↑(对流为主)d↑空气间层:思考:一般封闭间层内贴铝箔(ε小)以降低传热量,一般贴在高温侧避免结露,为什么?低温侧高温侧高温侧低温侧4.1.2非透明体围护结构的热工性能稳定传热量计算第23页/共169页4-24组合墙体:(1)分层——按等热流层分(2)确定组合层——并联处理成当量热阻由λ的面积加权推导(3)整个墙体按多层均质求解4.1.2非透明体围护结构的热工性能计算方法:思考:分析按与热流平行方向划分和等热流层划分的不同。稳定传热量计算No.12第24页/共169页4-25屋顶外墙外窗(含阳台透明部分)分户墙和楼板底部自然通风的架空楼板户门K≤1.0,D≥3.0K≤1.5,D≥3.0见下表K≤2.0K≤1.5K≤3.0K≤0.8,D≥2.5K≤1.0,D≥2.5外窗传热系数/W/(m2K),表中r为窗墙面积比朝向窗外环境条件r≤0.250.25<r≤0.30.3<r≤0.350.35<r≤0.450.45<r≤0.5N最冷月室外平均气温>5℃4.74.73.22.5-最冷月室外平均气温≤5℃4.73.23.22.5-无遮阳措施4.73.2---有外遮阳(其太阳辐射透射率≤20%)4.73.23.22.52.54.74.73.22.52.5《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》传热系数K/W/(m2K)和热惰性指标D的控制第25页/共169页4-26JGJ26-86民用建筑节能设计标准体形系数≤0.3体形系数>0.3北纬~45º北纬~40º北纬~60º北纬~60º体形系数——建筑物外表面积与其包围的体积之比JGJ26-95民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)国内外建筑围护结构传热系数的比较/W/(m2·K)JGJ24-86民用建筑热工设计规程第26页/共169页4-27

墙体蓄热性能

t↑(t↓)外表面瞬时得热内表面放热衰减特性:衰减系数ν0=室外综合空气温度波幅/内表面温度波幅延迟特性:延迟时间ξ0=内表面温度波动相位延迟蓄热特性:蓄热系数S=热流波动振幅与温度波动振幅之比qnξA0Anν=A0/An4.1.2非透明体围护结构的热工性能不稳定热工特性第27页/共169页4-28材料的蓄热系数——反应材料的蓄热特性。表面温度波动程度S↑→温度波动↓蓄热↑一般空气间层:S=0材料层衰减度——材料内部温度衰减规律热惰性指标——反抗温度波动的能力S↑→可蓄热↑λ↑→D↓→抗波动↓D≤3.0:轻型结构

3.1≤D≤6.0:中型结构

D≥6.1:重型结构S参数均可通过半无穷大材料的不稳定传热计算4.1.2非透明体围护结构的热工性能不稳定热工特性第28页/共169页4-294.1.2非透明体围护结构的热工性能不稳定热工特性第29页/共169页4-30波长/m穿透率/%可见光近红外线长波红外线0.8玻璃对波长具有选择性的透过特性:3m以下波长几乎全部透过,但却能阻隔3m以上的长波红外线辐射——温室效应4.1影响室内热环境的物理因素4.1.2半透明体围护结构的热工性能光学特性第30页/共169页4-314.1影响室内热环境的物理因素4.1.2半透明体围护结构的热工性能玻璃在界面上的反射、透过特性和内部的吸收特性:r——界面的反射百分比,A0——单程吸收百分比,光学特性第31页/共169页4-32反射百分比:吸收百分比:ra0标准玻璃K≈0.045玻璃/太阳下空气消光系数行程4.1影响室内热环境的物理因素4.1.2半透明体围护结构的热工性能光学特性第32页/共169页4-334.1影响室内热环境的物理因素4.1.2半透明体围护结构的热工性能热工特性窗框(材料、各种间隔、断热窗框等玻璃系统(单层、双层、贴膜等)组合结构窗系统第33页/共169页4-34单层:在半透明薄层内进行反射、吸收和透过的无穷次反复之后的无穷多项之和。多层:阳光照射到双层半透明薄层时,还要考虑两层半透明薄层之间的无穷次反射,以及再对反射辐射的透过。4.1影响室内热环境的物理因素4.1.2半透明体围护结构的热工性能热工特性表4-9第34页/共169页4-35窗框型材:木框、铝合金框、铝合金断热框、塑钢框、断热塑钢框等;玻璃层间:可充空气、氮、氩、氪等或有真空夹层;玻璃层数:单玻、双玻、三玻等;玻璃类别:普通透明玻璃、有色玻璃、低辐射(Low-e)玻璃等;玻璃表面:各种辐射阻隔性能的镀膜,如反射膜、low-e膜、有色遮光膜等,或在两层玻璃之间的空间中架一层对近红外线高反射率的热镜膜。窗玻璃中心温度4.1影响室内热环境的物理因素4.1.2半透明体围护结构的热工性能热工特性第35页/共169页4-36通过窗进入室内的得热:玻璃得热80%,其次是缝隙空气渗透得热和窗框传热得热。玻璃钢材铝合金PVC松木玻璃钢0.7658.22030.160.170.52传热系数[W/(m2K)]6.211.912.37特定结构常用窗框材料的导热系数[W/(mK)]中空玻璃及其他墙体材料的传热系数[W/(m2K)]材料厚度传热系数隔声量/dB普通中空玻璃3+6A+33.425~30普通中空玻璃3+12A+33.030~35三层中空玻璃3+12A+3+12A+32.135~40混凝土墙1503.3≥50砖墙2402.8双玻热阻:4.1.2半透明体围护结构的热工性能热工特性第36页/共169页4-374.2房间冷负荷的形成及其计算方法概述4.2.1得热与负荷的基本概念得热与负荷的定义与构成室内热量传递形式第37页/共169页4-38冷(热)负荷:维持室内一定热湿环境所需要的在单 位时间内从室内除去(补充)的热量显热负荷潜热负荷送风方式辐射方式空气温湿度环境空气温湿度+平均辐射温度空气中热量空气+室内各表面热量表面储存热+4.2房间冷负荷的形成及其计算方法概述4.2.1得热与负荷的基本概念得热与负荷的定义与构成第38页/共169页4-39

常规的送风方式空调需要去除的是进入到空气中的得热量。

冷辐射板空调需要去除的热量除了进入到空气中的热量外,还包括贮存在热表面上的热量。4.2房间冷负荷的形成及其计算方法概述4.2.1得热与负荷的基本概念得热与负荷的定义与构成第39页/共169页4-404.2房间冷负荷的形成及其计算方法概述4.2.1得热与负荷的基本概念冷负荷形成过程物体室外空气室内空气得热潜热显热对流得热辐射得热Q空调冷冻设备~房间负荷得热:进入建筑的总热量,包括导热、对流、辐射、直接空气交换/HG(n)空调负荷:维持环境空调去除或加入的冷量或热量/CL(n)除热量:

房间非稳定工况下实际由空调系统除去的热量/HE(n)比例=f(热源性质)表4-15蓄热比例=f(建筑热工特性、作用形式)压缩机功率除热量(空调送风方式)No.13与得热比较有衰减和延迟第40页/共169页4-41室内热源得热=室内热源对流得热+热源向空调辐射板的辐射+热源向壁面的辐射室内热源得热分解:4.2房间冷负荷的形成及其计算方法概述4.2.1得热与负荷的基本概念冷负荷形成过程空调送风方式与辐射空调方式的负荷构成区别第41页/共169页4-42壁面得热分解:壁面得热分解=通过围护结构的导热得热+本壁面获得的通过玻璃窗的日射得热=壁面对流得热+本壁面向热源的辐射+本壁面向空调辐射设备的辐射+本壁面向其他壁面的长波辐射Qcond③①②①②③谐波反应法(4)——得热负荷的过程4.2.3非透明体围护结构冷负荷及谐波反应系数法第42页/共169页4-43冷负荷=排除的对流热得热+潜热+空气的焓值增值=室内热源对流得热+壁面对流得热+潜热+渗透得热房间空气的热平衡关系

——空调送风方式负荷4.2房间冷负荷的形成及其计算方法概述4.2.1得热与负荷的基本概念冷负荷形成过程稳定时其量物理意义?第43页/共169页4-44τq实际冷负荷(轻型)实际冷负荷(中型)实际冷负荷(重型)西向瞬时太阳辐射得热设计冷负荷4.2房间冷负荷的形成及其计算方法概述4.2.1得热与负荷的基本概念建筑蓄热特性对冷负荷的影响谐波扰量阶跃扰量得热量=?蓄热量=?冷负荷=?除热量=?新概念第44页/共169页4-45的发展过程当量温差法谐波分解法美/1946苏/50年代得热=负荷反应系数法ASHRAE/77年冷负荷系数法加/1967-71日射冷负荷系数Z传递函数改进典型建筑冷负荷温差及冷负荷系数谐波反应法完善稳态计算法得热≠负荷我国根据不同对象推荐采用:冬季,内围护结构冷负荷外围护结构冷负荷室内冷负荷窗户日射冷负荷4.2房间冷负荷的形成及其计算方法概述4.2.1得热与负荷的基本概念负荷计算方法与模拟软件第45页/共169页4-46冷负荷指标装机容量的冷负荷指标/W/m2<5858.1-69.869.9-81.481.5-9394-104.7104.8-16.3>116.3宾馆饭店数量/个01254210宾馆饭店百分比/%04.18.320.316.78.341.7合计百分比/%33.266.7冷负荷指标实际开机容量的冷负荷指标/W/m2<5858.1-69.869.9-81.481.5-9394-104.7104.8-16.3>116.3宾馆饭店数量/个2893200宾馆饭店百分比/%8.333.337.512.58.300合计百分比/%91.68.3实际开机容量<装机容量——设备闲置浪费惊人的浪费!(样本数:24)第46页/共169页4-47

稳态算法不考虑建筑蓄热,负荷预测值偏大动态算法,积分变换求解微分方程冷负荷系数法、谐波反应法:夏季设计日动态模拟。计算机模拟分析软件DOE2(美国)、HASP(日本)、ESP(英国)DeST(清华)4.2房间冷负荷的形成及其计算方法概述4.2.1得热与负荷的基本概念负荷计算方法与模拟软件第47页/共169页4-48冬季为什么采用稳定计算方法,而夏季采用非稳定计算方法?问题:4.2.2稳定计算方法tws,tnstnwtww,△to,max△to,max比较:△tw,

和t=tw-tnCLQwinter=HG=KwFw(tw-tn)第48页/共169页4-49

方法采用室内外瞬时温差或平均温差,负荷与以往时刻的传热状况无关:Q=KFT

特点简单,可手工计算未考虑围护结构的蓄热性能,计算误差偏大应用条件蓄热小的轻型简易围护结构室内外温差平均值远远大于室内外温度的波动值(如冬季负荷计算、夏季内墙负荷计算等)4.2房间冷负荷的形成及其计算方法概述4.2.2稳定计算方法第49页/共169页4-50第三类边界条件:太难求解了!非均匀板壁的不稳定传热:其中内表面长波辐射:积分变换法基本原理(1)4.2房间冷负荷的形成及其计算方法概述4.2.3非透明体围护结构冷负荷及谐波反应系数法第50页/共169页4-51积分变换法基本原理(2)对于常系数的线性偏微分方程,采用积分变换如傅立叶变换

或拉普拉斯变换。积分变换的概念是把函数从一个域中移到另一个域中,在这个新的域中,函数呈现较简单的形式,因此可以求出解析解。然后再对求得的变换后的方程解进行逆变换,获得最终的解。B域:问题容易求解对函数进行积分变换求解A域:问题难以求解对函数解进行积分逆变换获得解4.2房间冷负荷的形成及其计算方法概述4.2.3非透明体围护结构冷负荷及谐波反应系数法如何选用?偏微分方程变换为常微分方程常微分方程变换为代数方程第51页/共169页4-52拉普拉斯变换的解形式:传递矩阵或s-传递函数传递函数问题的解积分变换法基本原理(3)4.2房间冷负荷的形成及其计算方法概述4.2.3非透明体围护结构冷负荷及谐波反应系数法系统Input(t)Output(t)第52页/共169页4-53叠加单元扰量

扰量τ单元扰量响应响应τ分解拉普拉斯变换:热传递过程是线性定常系统傅立叶变换:扰量周期变化Z变换:扰量非规则变化扰量扰量Input()ττ室外参数τ三角波分解谐波反应法叠加条件:线性定常系统传递函数冷负荷系数法积分变换法基本原理(4)第53页/共169页4-54谐波反应法:任何一连续可导曲线均可分解为正(余)弦波之和。把外扰分解为余弦波,分别求出每个正(余)弦波外扰的室内响应,并进行叠加。典型扰量输入:室外空气温度,输出:室内壁温反应系数法(冷负荷系数法):任何连续曲线均可离散为脉冲波之和。将外扰分解为脉冲,分别求得脉冲外扰的室内响应,再进行叠加获得室内负荷。对应离散系统,拉普拉斯变换转化为Z变换典型扰量输入:室内热源得热,输出:室内负荷积分变换法基本原理(5)4.2房间冷负荷的形成及其计算方法概述4.2.3非透明体围护结构冷负荷及谐波反应系数法第54页/共169页4-55=++16.9℃-55152535450144028804320576072008640-200200144028804320576072008640-7.507.5050100150武汉市室外干球温度的全年变化傅立叶级数分解谐波反应法(1)4.2.3非透明体围护结构冷负荷及谐波反应系数法第55页/共169页4-56室外温度按余弦波(傅氏级数)分解(负荷为各阶余弦波响应之和)————

谐波反应计算方法波幅的衰减相位的延迟系统tz,n()n,n()扰量响应ntz,pAnT/ntzτn△n,n=An/n=△tz,n/n室外空气综合温度室内壁面温度扰量响应扰量响应?An=△tz,nBn=△n,n谐波反应法(2)——单一谐波4.2.3非透明体围护结构冷负荷及谐波反应系数法谐波反应法第56页/共169页4-57室外空气综合温度1阶谐波2阶谐波3阶谐波时刻/h平均值n、n——围护结构对n阶综合温度扰量传至内表面的衰减度及相位延迟时间,定义:对于谐波叠加的室外(综合)空气温度:如用振幅表示:谐波反应法(3)——多阶谐波4.2.3非透明体围护结构冷负荷及谐波反应系数法第57页/共169页4-58双向(谐波)变化——叠加计算稳定传热: tz,p

tn,p→qn,p=K(tz,p-tn,p)①qn

()

=①+②+③=qn,p+△qn1

()

+

△qn2

()tn=C,仅△tz()作用:△tz()→△n()→△qn1()②tz=C,仅△tn()作用:△tn()

→△n()→△qn2()③外表面瞬时得热:内表面瞬时放热:取得νn、n的途径:

大量性能试验得到(但很有限),目前手册中的大部分数据属这类;理论计算得到(见4.1.2)。(传入室内的得热量)谐波反应法(4)——得热计算4.2.3非透明体围护结构冷负荷及谐波反应系数法第58页/共169页4-59谐波反应法(5)——负荷计算室外空气综合温度扰量房间得热房间负荷墙体衰减延迟房间衰减延迟n、nn、’nNo.14第59页/共169页4-60外表面太阳吸收系数房间的衰减与延迟负荷温差n’,’n

冷负荷温度谐波反应法(6)——工程简便计算方法4.2.3非透明体围护结构冷负荷及谐波反应系数法n’,’n

第60页/共169页4-61软件名功能负荷计算方法条件DOE-2(美)全年逐时能耗模拟反应系数法恒物性ESP(英)建筑、设备系统能耗有限差分法变物性EnergyPlus(美)建筑、设备系统能耗传递函数法(反应系数法)恒物性HASP(日本)建筑、设备系统能耗热平衡法恒物性DeST(中)建筑、设备系统能耗状态空间法恒物性

其他还有:BLAST(美)、NBSLD(美)计算机模拟分析软件概况z4.2房间冷负荷的形成及其计算方法概述4.2.3非透明体围护结构冷负荷及谐波反应系数法第61页/共169页4-62

DOE-2(Design

ofExperience)由美国能源部主持,美国LBNL开发,于1979年首次发布的建筑全年逐时能耗模拟软件,是目前国际上应用最普遍的建筑热模拟商用软件,用户数估计达到1000~2500家,遍及40多个国家。其中冷热负荷模拟部分采用的是反应系数法,假定室内温度恒定,不考虑不同房间之间的相互影响。

EnergyPlus美国LBNL90年代开发的商用、教学研究用的建筑热、光模拟+系统软件。采用的是传递函数法(反应系数法)。z计算机模拟分析软件概况第62页/共169页4-63ESP-r(EnergySimulationProgramforResearch)ESP(ESP-r)是由英国Strathclyde大学的能量系统研究组1977-1984年间开发的建筑环境与设备系统能耗动态模拟软件。负荷算法采用的是有限差分法求解一维传热过程,而不需要对基本传热方程进行线性化,因此可模拟具有非线性部件的建筑的热过程,如有特隆布墙(Trombewall)或相变材料等变物性材料的建筑。采用的时间步长通常以分钟为单位。该软件对计算机的速度和内存有较高要求。

HASP(Heating,Air-conditioningandSanitayEngineeringProgram)

日本1971开发,采用热平衡方法动态计算负荷,强化建筑并考虑系统的能耗模拟软件。z计算机模拟分析软件概况第63页/共169页4-64DeST(Designer’sSimulationToolkit)90年代清华大学开发的建筑与HVAC系统分析和辅助设计软件。负荷模拟部分采用状态空间法,即采用现代控制论中的“状态空间”的概念,把建筑物的热过程模型表示成:状态空间法的求解是在空间上进行离散,在时间上保持连续。对于多个房间的建筑,可对各围护结构和空间列出方程联立求解,因此可处理多房间问题。其解的稳定性及误差与时间步长无关,因此求解过程所取时间步长可大至1小时,小至数秒钟,而有限差分法只能取较小的时间步长以保证解的精度和稳定性。但状态空间法与反应系数法和谐波反应法相同之处是均要求系统线性化,不能处理相变墙体材料、变表面换热系数、变物性等非线性问题。z分阶段计算机模拟分析软件概况第64页/共169页4-65日射得热温差传热得热得热分析:——玻璃吸收的太阳辐射向室内传入的分额4.2房间冷负荷的形成及其计算方法概述4.2.4半透明体围护结构得热与负荷及其节能方法半透明体围护结构得热1。日射透射得热2。内壁面对流得热:日射吸热得热、温差传热得热q=Iq=I第65页/共169页4-66定义:日射得热因数处理方法:先解标准玻璃得热,其他玻璃则采用修正系数半透明体围护结构得热工程处理:定义标准玻璃标准玻璃:我国采用3mm厚的普通玻璃当入射角为i=0

时,

=0.8,=0.074,=0.126标准玻璃日射得热——日射得热因数Ds第66页/共169页4-67吸热玻璃:在玻璃中添加金属离子或某些物质形成着色玻璃,获得较高吸收率。20世纪60年代流行——丰富色彩。反射玻璃:在玻璃表面附加一层膜,使之反射更多太阳辐射,获得较高反射率。20年代70世纪流行——映射景色。吸热玻璃与反射玻璃比较玻璃温度: 31.4℃39.5℃36.8℃比较条件:厚度3mm,环境:32℃,室内:24℃,太阳日射强度:600W/m2,温差传热:49.4W/m2普通玻璃吸热玻璃反射玻璃0.865

0.06

0.051

0.111

0.024

0.889

0.075

0.15

0.45

0.31

0.09

0.40

0.60

0.46

0.30

0.10

0.32

0.38

0.22

0.600.40

4.2.4半透明体围护结构得热与负荷及其节能方法玻璃面发展及其节能特性第67页/共169页4-68low-e玻璃:将具有低发射率、高红外反射率的金属(铝、铜、银、锡等),使用真空沉积技术,在玻璃表面沉积一层极薄的金属涂层,这样就制成了Low-e(Low-emissivity)玻璃。对太阳辐射有高透和低透不同性能。4.2.4半透明体围护结构得热与负荷及其节能方法玻璃面发展及其节能特性第68页/共169页4-694.2.4半透明体围护结构得热与负荷及其节能方法玻璃面发展及其节能特性可见光冬季型Low-E玻璃7.0%45.6%45,2%2.2%普通玻璃高高高低吸热玻璃中中中低反射玻璃低低

中低

low-e玻璃低低低近红外线可见光紫外线长波红外线透过率高~中内镀非常薄但又耐久的镀银薄层。20世纪80年代盛行——节能玻璃。→夏季→东西向第69页/共169页4-707030透过:100打开的窗户仅内窗帘19对流:4透过:77816mm普玻透过:19对流:32反射:4951反射对流6mm+内百叶82对流:8透过:1018反射对流外百叶+6mm各种遮阳及遮挡的日射得热比较降低通过玻璃门窗传入室内热量的措施4.2房间冷负荷的形成及其计算方法概述4.2.4半透明体围护结构得热与负荷及其节能方法第70页/共169页4-71有效面积系数地点修正系数降低通过玻璃门窗传入室内热量的措施4.2房间冷负荷的形成及其计算方法概述4.2.4半透明体围护结构得热与负荷及其节能方法玻璃的遮阳系数(遮挡系数)窗户的遮阳系数窗户面积例4-8、例4-9不同措施的日射得热窗玻璃的遮阳系数窗户得热第71页/共169页4-72降低通过玻璃门窗传入室内热量的措施4.2房间冷负荷的形成及其计算方法概述4.2.4半透明体围护结构得热与负荷及其节能方法通风窗、双层通风玻璃幕墙

内藏百叶排风排风内藏百叶内玻璃幕墙外玻璃幕墙回/排风卷帘百叶外玻璃幕墙回/排风卷帘百叶外玻璃幕墙回/排风通风窗空气屏障式吸热后产生烟囱效应自然机械通风排热改善窗际微环境原理:节能第72页/共169页4-73特隆布墙第73页/共169页4-74第74页/共169页4-75通风夹层的节能特性No.15第75页/共169页4-76

通风双层玻璃窗,内置百页呼吸式玻璃幕墙:第76页/共169页4-77a)外立面 b)通风换气层图4-29双层通风玻璃幕墙降低通过玻璃门窗传入室内热量的措施双层通风玻璃幕墙

与通风窗之区别?第77页/共169页4-78半透明体围护结构负荷计算方法4.2房间冷负荷的形成及其计算方法概述4.2.4半透明体围护结构得热与负荷及其节能方法扰量得热得热扰量负荷传导负荷日射负荷经过了什么部件被衰减和延迟了?第78页/共169页4-79负荷温差:与什么因素有关?玻璃窗日射冷负荷玻璃窗传导冷负荷n’,n’降低通过玻璃门窗传入室内热量的措施4.2房间冷负荷的形成及其计算方法概述4.2.4半透明体围护结构得热与负荷及其节能方法工程处理:日射负荷强度=日射得热×日射负荷系数n’,n’第79页/共169页4-80处理方式:太阳辐射中不考虑直射辐射。有阴影与无阴影混合作用:

分别考虑,按面积 计算各得热。阴影面积:可由几何关系求解。空调得热计算:按最不利情况计算,不考虑 因阴影面而引起的得热减少。降低通过玻璃门窗传入室内热量的措施4.2房间冷负荷的形成及其计算方法概述4.2.4半透明体围护结构得热与负荷及其节能方法外遮阳阴影面处理第80页/共169页4-81冷负荷系数法——原理4.2.5冷负荷系数法与室内负荷室内热源简化基本思想:扰量×系数室内热源设备:冷负荷系数HG(0)——内热源散热量-0——热源开始散热至计算时刻CLQ(-0)——冷负荷系数负荷强度系数,它与开始使用时间和连续使用时间有关,与建筑热特性有关。第81页/共169页4-82冷负荷系数求解原理图(照明负荷)135791113151719第1小时第2小时第3小时第4小时时刻/h00.20.40.60.81135791113使用时数=1h得热:扰量负荷:响应热量比例时刻/h00.20.40.60.81135791113151719第1小时第2小时时刻/h负荷qτ冷负荷系数的简便计算4.2.5冷负荷系数法与室内负荷第82页/共169页4-83QTZ00-T图4-31周期性阶跃扰量作用示意L冷负荷系数的简便计算4.2.5冷负荷系数法与室内负荷qτ第83页/共169页4-84

计算基数:输入功率N(电动设备安装功率)/kW注意计算时应考虑:①n1利用系数(最大实耗功率与安装功率之比);②n2同时使用系数;③n3负荷系数(实耗功率与最大实耗功率之比)

;④n4有局部排风时应考虑排风带走热量的系数。室内室外得热热能机械能功率热能判别主要常见设备有电热设备、电动设备/考虑电动机效率η工艺设备电动机得热计算式/W电动设备室内室内Q=1000n1n2n3N/室内Q=1000n1n2n3N室内Q=1000n1n2n3(1-)N/电热设备室内Q=1000n1n2n3n4N室内负荷4.2.5冷负荷系数法与室内负荷设备得热与负荷第84页/共169页4-85人体显热潜热辐射热对流热对流热吸收热负荷水分蒸发:水分温度↑湿度↑得热室内负荷4.2.5冷负荷系数法与室内负荷人体得热与负荷例4-10第85页/共169页4-86谐波反应法的简化算法与冷负荷系数法形式一致。不能分析变物性的材料如相变材料制成的围护结构热过程。只是在一定程度上反应了得热和冷负荷之间的区别,对辐射的影响作了很多简化:对墙体内表面之间的长波辐射作了简化处理,给定比例忽略了透过玻璃窗日射落在墙内表面上的光斑的影响热源对流和辐射比例给定,与墙表面角系数给定把室内空气温度看作是常数如果房间与简化假定相差较远,则结果的误差较大,如内表面温度差别大、房间形状不规则、室内空气控制温度随时间变化等。积分变换法/两种积分变换法总结4.2.5冷负荷系数法与室内负荷第86页/共169页4-87夏季:室内外温差小,风压是主要动力冬季:室内外温差大,热压作用往往强于风压,造成底层房间热负荷偏大。因此冬季冷风渗透往往不可忽略。理论求解方法:网络平衡法,数值求解网络平衡法原理:工程应用:压差法、缝隙法、换气次数法

节点平衡:Gi=0

回路压力平衡:P=0通风渗透得热=室内外焓差×渗透风量=负荷为什么?计算关键?4.2房间冷负荷的形成及其计算方法概述4.2.6通风渗透负荷第87页/共169页4-88指数孔口出流渗流(流道细小)门窗渗透n0.511/1.5风压正压空调热压下部渗入上部渗出高层建筑夏季冬季负压渗入正压渗出负压空调迎风面渗入被风面渗出气密性室外风速①压差法②缝隙法③换气次数法压差高大空间自然通风流量平衡网络法①②La=klal=f(室外风速,门窗结构,门窗缝隙长度)③La=nV=f(换气次数,室容积)第三章视情况考虑一般考虑渗透动力起因现象影响因素方法多开口?4.2.6通风渗透负荷计算方法分析第88页/共169页4-89湿源:人员、工艺设备、水槽、地面积水等;散湿均变为瞬时负荷;围护结构与家具的蓄湿作用一般不考虑。湿表面功率为N的热源加热蒸发湿表面散湿量:教材式(4-121)符号见教材P.182冷负荷:蒸汽潜热,一般蒸汽的显热不考虑湿负荷:蒸汽量自然蒸发湿负荷:式(4-121)蒸汽源冷负荷:根据设备散热方式,由N确定湿负荷:式(4-121)工艺性发湿除外4.3室内湿环境的形成4.3.1室内湿源及其散湿量人体第89页/共169页4-90围护结构传湿与传热具有相似性,其蒸汽渗透量(湿负荷)为:4.3室内湿环境的形成4.3.2墙体传湿及计算第90页/共169页4-91每层界面上温度:

每层界面上水蒸汽分压力:导热系数大——温降小渗透系数大——分压力降小λa<λbt(x)

↓Pb[t(x)]=Pb(x)p(x)冷凝?λva>

λvbpwPb水汽方向CBApntwPbtn水汽方向ACB4.3室内湿环境的形成4.3.2墙体传湿及计算第91页/共169页4-92目的:建筑物内部无水汽凝结(美观、减少发病率、降低采暖费、延长建筑寿命)检验方法:使建筑物表面(表面结露)、各层(内部结露)1)调整各材料层顺序;见图保温层:导热系数小,但渗透系数大。图中A相当于保温层、B相当于隔汽层2)

设置隔汽层;布置原则:“进难易出”见图(水汽侧)内-隔汽层-保温层-外采暖房间?冷库?

3)设置通风间层或泄汽沟道消除围护结构内部冷凝的方法Pi(x)≯pb(x)pwPbpn水汽方向CAB水汽方向CBApwPbpn4.3室内湿环境的形成4.3.3围护结构结露及其防治例4-11λva>

λvbpwPb水汽方向CBApn大Rv材料第92页/共169页4-93S>0S<0S=0人体体温生理特征

肝脏:最高,38℃

皮肤:与外界环境有关各部分温差不会太大日夜有1℃以内的波动代表温度:核心温度4.4热湿环境中的人体生理学和心理学基础4.4.1热湿环境中的人体生理学基础生理特征蓄热№15第93页/共169页4-94人体体温的表示核心温度——下丘脑部位处皮肤温度易测的代表温度——表4-38直肠温度平均温度(在热环境中)

(在冷环境中)人体体温生理特征4.4热湿环境中的人体生理学和心理学基础4.4.1热湿环境中的人体生理学基础第94页/共169页4-95人体的正常温度人体体温生理特征4.4热湿环境中的人体生理学和心理学基础4.4.1热湿环境中的人体生理学基础HotCold38oC32oC人的正常体温:36.5℃人的皮肤表面温度为:33.3℃?第95页/共169页4-96

冷感受器处的皮肤结构人体各部位的冷点数目明显多于热点。问题:为什么人对冷更敏感?人体热感受系统4.4.1热湿环境中的人体生理学基础皮下~0.2mm皮下~0.6mm第96页/共169页4-97人体的皮肤和内脏器官有无数个“冷点”(冷感受器)和“热点”(热感受器),它们使大脑产生冷热感觉的作用系统如下:表皮0.2mm真皮0.6mm深部脂肪层10mm热感受器位于皮肤表面下0.3-0.6mm冷感受器位于皮肤表面下0.15-0.17mm温度内脏皮肤温度核心温度大脑热感冷感主观心理描述客观生理反应客观生理反应

冷热感受系统4.4.1热湿环境中的人体生理学基础人体热感受系统第97页/共169页4-98人体与非生物体的区别:人体的温度和散热量并不完全由环境因素决定,在一定环境参数范围内人体的体温调节系统可以将人体的核心温度维持在一个适合于生存的较窄的范围内比较核心温度与设定值偏差生理反应=f(M)=f(活动量)静止:36.8℃;步行:37.4℃;慢跑:37.9℃;剧烈运动:39.5℃;…

自调节控制系统4.4.1热湿环境中的人体生理学基础人体的体温自调节控制系统第98页/共169页4-99下丘脑是调节内脏活动的较高级中枢,可分为前、后、内、外四个区。具有:体温调节、摄食行为调节、水平衡调节、对情绪反应的调节、对生物节律的控制等。其中体温调节:只有保留下丘脑及其以下神经结构的完整动物才有恒定体温的能力。下丘脑存在体温调节中枢及其既能感受温度变化,又能对传入温度信息进行整合的温度敏感神经元。第99页/共169页4-100

大脑皮层

↓神经递质丘脑下部↓促激素释放(抑制)因子垂体↓促激素外周腺体↓激素外围激素↓最终靶细胞上一级对下一级的调节激素分泌的调节控制第100页/共169页4-101下丘脑具有调节代谢、体温和内分泌功能:前部主要促进散热来降温,后部促进产热抵御寒冷。

散热调节方式血管扩张,增加血流,提高表皮温度出汗

御寒调节方式血管收缩,减少血流,降低表皮温度通过冷颤增加代谢率在体温调节系统正常工作时,增加环境温度并不能提高人体的核心温度(直肠温度)。只有改变代谢率才能改变人体核心温度。

几个概念4.4.1热湿环境中的人体生理学基础人体的体温自调节控制系统第101页/共169页4-102人体水分蒸发的生理现象被动水分损耗皮肤、肺部水蒸气分压力差汗腺分泌蒸发皮肤热不平衡呼吸显热散热皮肤汗液蒸发散热皮肤湿扩散散热呼吸潜热散热归纳4.4热湿环境中的人体生理学和心理学基础4.4.1热湿环境中的人体生理学基础第102页/共169页4-103研究方法:心理学,研究感觉与刺激间的关系学科称为心理物理学。定义:人对周围环境“冷”“热”的主观描述。特点:尽管人描述环境的冷热,实际上只能感觉到自己皮肤下神经末梢的温度。所以“冷”“热”与感受者的身体状态有关,不是完全客观的反映。

“中性”的定义:不冷不热,人用于体温调节消耗的能量最小。度量:感觉不能用任何直接的方法测量。热感觉4.4热湿环境中的人体生理学和心理学基础4.4.2热湿环境中的人体心理学基础几个概念第103页/共169页4-104皮肤温度变化率对冷/热阈的作用敏感区敏感区迟钝区420-1冷热感觉阈℃皮肤温度变化率/℃/s温度变化率对冷阈和暖阈的作用热感觉4.4热湿环境中的人体生理学和心理学基础4.4.2热湿环境中的人体心理学基础第104页/共169页4-105实线—暖阈、凉阈虚线—感觉变化阈皮肤感觉与适应温度以及变化量之间的关系结论?适应温度的变化/K适应温度/℃问题:环境温度30℃时,在什么情况下感觉暖?问题:环境温度36℃时,在什么情况下感觉凉?热感觉4.4热湿环境中的人体生理学和心理学基础4.4.2热湿环境中的人体心理学基础热感冒第105页/共169页4-106一只手浸入热水后的疼痛强度问题:浸在45℃的水中,感到疼痛的时间约多少?水温(℃)时间(s)←疼痛强度痛阈18s后疼痛消失4847464543热感觉4.4热湿环境中的人体生理学和心理学基础4.4.2热湿环境中的人体心理学基础描述人对热刺激的反应

第106页/共169页4-107热舒适4.4热湿环境中的人体生理学和心理学基础4.4.2热湿环境中的人体心理学基础当人获得一个快感的刺激时是舒服的,但此时可能热感觉可能是中性的甚至是非中心的同样的手温有时感到舒适有时感到不舒适,说明了什么?第107页/共169页4-108冷感觉一般情况取决于平均皮肤温度;热感觉最初取决于皮肤温度,而后取决于深部体温;热舒适感——可以获得快感的刺激;可以消除热不舒适感为什么?热舒适4.4热湿环境中的人体生理学和心理学基础4.4.2热湿环境中的人体心理学基础comfort,thermal:

thatconditionofmindwhichexpressessatisfactionwiththethermalenvironment,itrequiressubjectiveevaluation.—ASHRAE55-1992andisassessedbysubjectiveevaluation.—ASHRAE55-2004ThermalEnvironmentalConditionsforHumanOccupancyASHRAE55:标度——表4-40—ISO7730第108页/共169页4-109人体蓄热率人体能量代谢率人体产热率与室内相对湿度有关与活动强度有关衣着主要影响因素:环境(t,,v,tr)衣着活动量与表面温度tr有关人体所作机械功人体与环境辐射换热率人体与环境对流换热率人体蒸发散热率与室温t、气流风速v有关热平衡方程4.4热湿环境中的人体生理学和心理学基础4.4.3人体热平衡方程以及热舒适性描述第109页/共169页4-110人体感到舒适的必要条件:S=0 人体感到舒适的充分条件:人体按正常比例散热对流散热/总散热辐射散热/总散热呼吸、无感觉蒸发散热/总散热25~30%45~50%25~30%当S=0时:

将前述各散热量计算式代入方程式,可以得到公式(5-32),即人体蓄热量S取决于6个因素的定量描述:P.O.Fanger热舒适方程人体正常的散热范围:热舒适方程4.4热湿环境中的人体生理学和心理学基础4.4.3人体热平衡方程以及热舒适性描述第110页/共169页4-111蓄热量不同时的生理现象4.4热湿环境中的人体生理学和心理学基础4.4.3人体热平衡方程以及热舒适性描述S>0:体温升高,40℃时人出汗停止;43.5 ℃时人死亡。S<0:体温降低,人体颤抖;34℃时,肌肉适应,停止颤抖;28℃时,呼吸停止,人死亡。第111页/共169页4-112产能量(代谢率)进食体内化学反应等客观因素:活动强度/环境/性别/年龄/进食后时间长短/等主观因素:神经紧张程度等作机械功皮肤/服装/呼吸热交换环境热平衡与无生命物质能量平衡的主要区别单位met:1met=58.2W/m2,即成年男子静坐时的代谢率。成年男子RMB:46W/m2/0.8metBMR变化范围:10~15%。超过20%为病态。影响因素基础代谢率/RMB→维持生命所需最低产能→用于比较不同条件时的代谢率/早餐前清醒静卧半小时,室温为18~25℃测得人体能量代谢率M4.4热湿环境中的人体生理学和心理学基础4.4.3人体热平衡方程以及热舒适性描述研究方法第112页/共169页4-113人体能量代谢率MM=f(耗氧量、CO2排放量)=f(活动量)1met0.83km/h2.03.08.05km/h10km/h1.4一般室内运动代谢率多在5met以下

肌肉活动强度对代谢率起决定性的影响表4-42式4-134人体能量如何分配?4.4热湿环境中的人体生理学和心理学基础4.4.3人体热平衡方程以及热舒适性描述研究方法?定量方法表面积=1.8m2,中国人的表面积1.5~1.8m2;第113页/共169页4-114定义:人体的机械效率∵S=0时:C+R+E=(M-W)实际<M计算空调负荷计算时:取η≈0,即:W≈0——偏安全计算问题:人体是高效的能量转化系统吗?人体所作的机械功W4.4热湿环境中的人体生理学和心理学基础4.4.3人体热平衡方程以及热舒适性描述<0.2第114页/共169页4-115呼吸显热散热:皮肤汗液蒸发散热:皮肤湿扩散散热:呼吸潜热散热;人体平均皮肤温度:皮肤呼吸人体总蒸发散热量E4.4热湿环境中的人体生理学和心理学基础4.4.3人体热平衡方程以及热舒适性描述第115页/共169页4-116ε——人体表面发射率,灰体且长波辐射时等于吸收率feff——人体有效辐射面积修正系数,考虑不同姿势的修正σ——斯蒂芬-玻尔兹曼常数5.67×10-8W/m2K4tcl——衣服外表面温度:②

①0.80.40.70.780.720.7人体外表面与外界的辐射换热量R4.4热湿环境中的人体生理学和心理学基础4.4.3人体热平衡方程以及热舒适性描述第116页/共169页4-117tcl——可以通过①②③联立求解③人体外表面与周围环境空气的对流换热量C4.4热湿环境中的人体生理学和心理学基础4.4.3人体热平衡方程以及热舒适性描述fcl──人体服装面积系数,它是着装后实际表面积Acl与人体裸身表面积AD之比,即:对流换热第117页/共169页4-118当S=0人体达到热平衡时有:4.4热湿环境中的人体生理学和心理学基础4.4.3人体热平衡方程以及热舒适性描述舒适性方程及其影响因素M、W、ta、Pa、mrt、fcl、tcl、cl。

f(tcl,ta,va)f(ta,va,Icl,fcl,mrt,M)f(Icl)f(ta、a

)ta、Pa(或)、mrt、

va

M、Icl六个影响参数:第118页/共169页4-119成年男子在不同环境温度下的散热工程上妇女、儿童散热取值为男子散热参数的85%全热:主要决定于肌肉活动强度,其它因素影响在应用上可以忽略。显热:决定于环境温度,随温度上升而减少。潜热(散湿):决定于环境温度,随温度上升而增加。正常情况下,提高环境温度仅影响出汗速率,不影响直肠、皮肤温度。人体总散热量4.4.3人体热平衡方程以及热舒适性描述第119页/共169页4-120S=(M-W)

1.7310-2

M(5.867

Pa

)

0.0014M(34

ta

)

3.05[5.7330.007(MW)

Pa

]0.42(MW58.2)

皮肤扩散蒸发散热 汗液蒸发散热

fclcl

(tcl

-ta

)

3.9610-8

fcl[(tcl+273)4(mrt+273)4]

对流散热 辐射散热

=TL=S=(M-W)-(E±

C±R+)=

0

呼吸潜热呼吸显热散热达到热平衡时4.5人对热湿环境的评价4.5.1PMV-PPD指标及其影响因素舒适性方程PMVS

PMV:客观物理量感觉主观定量PMV热感觉标尺+3热+2暖+1微暖0适中-1微凉-2凉-3冷表4-43第120页/共169页4-121PMVPPD通过满意度描述由大量试验获得PMV指标只代表了同一环境下绝大多数人的感觉,不能代表所有个人的感觉。PPD是通过概率分析确定某环境条件下人群不满意的百分数即便达到PMV=0,仍然有5%的人不满意。PMVPPD4.5人对热湿环境的评价4.5.1PMV-PPD指标及其影响因素第121页/共169页4-1224.5人对热湿环境的评价4.5.1PMV-PPD指标及其影响因素环境参数环境参数活动量衣着可以有ta、Pa()、va、

mrt、

M、Icl多种组合达到同样的感觉PMV季节温度相对湿度速度夏季22~28℃40~65%≤0.3m/s冬季18~24℃30~60%≤0.2m/sta

a

vata:决定了能耗a

:决定了排汗气流形式干冷湿冷闷热皮肤润湿度=体表实际蒸发散热量最大潜热散热量体表全部被汗湿润《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019-2003:第122页/共1

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